预应力索结构(精选7篇)
预应力索结构 篇1
网壳式的结构是常见的预应力控制结构, 就是采用网壳式的结构, 这种结构的受力相对来说比较稳定和均匀, 这种结构的大部分结构的受力点就是杆结构, 还有一种网壳结构式单层的网壳结构, 这种结构有着自己的独特优点, 那就是结构简单, 透光率好, 外观大方符合时代审美观, 因而非常适宜做为玻璃采光顶的屋面结构。
1 设计思路
网壳机构有很多中, 比如常见的柱面形式的网壳, 抛物面网壳, 球面网壳等等, 由于他们的主受力结构就是整个结构中的杆结构, 在受力方面很难的控制, 稳定失衡的现象很常见。对结构应力的控制也是主要控制的这方面的受力。不过有些鞍形的网壳结构受力主要就是杆杆结构的受压和受拉, 相比较来说这种结构有很好的整体稳定性, 网格的结构也比较简单, 适用于那些更大的跨度空间结构建设。鞍形网壳和预应力鞍形索网相类似, 都具有良好的形状稳定性和刚度, 但是都需要较大截面的边缘构件以保证强度和刚度要求, 因此边缘构件的合理设计成为是否采用这种体系的关键。
2 预应力鞍形索网结构分析
预应力鞍形索网钢架结构主要的组成结构是钢索结构, 这种结构有着特殊曲面, 两组钢索在各交点上连接。预应力鞍形索网曲面形式复杂多样, 千姿百态, 结构简洁明快, 挡光率低, 非常适宜做为玻璃采光顶的屋面结构。预应力鞍形索网具有良好的形状稳定性和刚度, 但是需要较大截面的边缘构件以保证强度和刚度要求, 因此边缘构件的合理设计成为是否采用这种体系的关键。
3 张弦杂交结构及其他边界效应分析
张弦杂交结构及其他边界效应分析, 这种复合的结构, 主要是通过横向腹杆结构和上下弦索结构组成的结构。通过特殊的预应力控制这种结构能够充分的发挥出自身的受力性质, 在结构的整体稳定性方面能够发挥出最大作用。这种张弦梁结构整体上有着很大的优势, 这种结构的刚度取决于结构的上弦抗弯曲结构和拉索结构的横截面, 这种结构也是一种常见的半刚性结构, 通常有以下的特点: (1) 结构整体的承载能力高。相对来说这种结构的整体承重能力有了极大的提高, 张弦梁的结构中的索结构可以有效的调整结构中的刚性结构的受力以及结构内应力的分布。比如, 在一个结构中, 刚性结构是梁结构的情况下, 这是梁下通常使用撑杆和索结构的组合, 索结构连着梁结构的两端, 这个机构在承受载荷的时候, 梁受到弯曲剪力的作用, 在负载达到一定的程度时, 结构的预应力控制可以通过调整梁的结构布置来平均分配负载产生的应力, 也可以通过控制跨度方向上的受力, 调整梁的横截面积的受力情况; (2) 使用荷载作用下的结构变形小。这种复合的结构能够大大的提高结构整体的刚性, 在有负载的情况下这种结构的变形是非常小的, 关键就是张弦梁中的索结构和梁结构的结合这种科学的组合共同的平衡应力, 使结构整体的受力平衡; (3) 结构有一定的自平衡功能。这种结构还有一种其他钢架结构无可比拟的优点, 那就是结构自身有一定自我调节结构整体平衡的能力, 这种调节的原理就是, 拱形的构件能够在水平方向上产生一定的应力, 结构中索的牵引力能够有效的平衡侧向结构内部受力。这样的结构能让结构支座的作用充分的发挥出来, 而且结构的设计方便, 装吊容易; (4) 适应性强。这种复合的结构中的组合结构可以根据实际的施工环境进行一定的调整, 能够最大程度的发挥出结构的审美要求; (5) 设计制作以及施工简便。同其他的钢架结构相比, 这种复合的结构在设计的方面相对比较方便, 由于这种复合结构的自适应性比较强, 所以在施工和制作的时候可以灵活的运用, 在运输的过程中这种复合的结构可以方便的拆装运输。
4 工程案例
(1) 工程概况。本工程是在两座旧的建筑物之间的既有建筑屋顶添加采光屋顶, 在原有的基础上, 不能增大整个建筑结构的受力负担。根据实际的情况, 对这项工程, 采用马鞍索网结构来建设采光顶, 使用张弦梁和索衔架当做是纵向的边界支撑结构, 横向的支撑结构使用特制的单钢管结构, 在这个结构的下部要设计小立柱作为整体的分支支撑。在整个结构中只要能够保证稳定索和承重索在水平投影方向上是垂直位置结构, 相邻的网格四点在同一平面中, 就能完成整个结构的建设。采用此结构的优点在于:材料用量少, 结构整体的质量轻, 透光率高, 针对这种设计要求和环境要求十分的匹配;缺点在于:此方案为国内首次应用, 还处在一个探索过程, 这种结构对承重杆的要求非常的高, 相对于梁的位置要求也很高。
(2) 施工步骤。整体结构的安装和结构形状的控制→玻璃安装前的静力准备→结构张拉应力的补偿→完善和应力加载。在此过程中要对各个阶段的支撑杆处的应力变化进行测试。
(3) 施工方案比选。方案一:依照原有设计的预应力, 把索网结构整体的张拉到结构设计的初始态, 然后, 铺设顶层的玻璃, 逐渐的让索网结构达到一种平衡状态。综合来说, 这种方案很容易完成施工, 但是, 这种方案, 对两边原有旧建筑物的拉力很大, 很可能导致旧建筑的破坏。方案二:通过对结构的张拉加载的张拉过程, 首先, 以设计预应力的三分之一力进行设计的张拉成形, 然后, 铺设顶棚的玻璃板, 当顶棚的玻璃板铺好以后, 通过张拉, 让结构中索的轴力逐渐达到计算设计的要求。这套方案设计及施工有些复杂, 不过, 这套方案的优点就是能够充分的利用结构中钢材的反复受力的特性, 减轻边缘构件和边缘建筑物的受力。
综合的分析上面的设计施工方案, 发现第二套方案更加的合理。所以使用第二套方案。
5 施工模拟
首先, 使用设计预应力值要求的三分之一为初始预应力值对整个索网结构进行预应力的张拉到位, 张拉成形以后, 得出的最终结果和上述的找形结果保持一致。就整个索结构的索内预应力是找形的三分之一就是4.92700k N。然后, 加载玻璃板。最后再次的张拉到位。
(1) 计算条件。 (1) 结构的上弦拱、下弦索均为抛物线, 其初始的结构曲线方程为:拱的斜率变化同上层屋面的结构一致, 索内斜率浮动同腹杆的位置保持一致。 (2) 腹杆结构同拱的衔接模式为铰接模式。索结构和拱结构对结构的边缘构件有很大的拉力, 所以, 把张弦梁结构一端进行铰接, 还要限制这部分平面范围内的水平以及竖向的线位移, 而另一端只限制竖直方向上的位移, 这样就允许了结构在水平方向自由滑动, 进而消除了索和拱对结构的支座产生了很大的水平拉力, 进而减轻了边缘构件的负载, 同时, 又减轻了结构在使用中的内应力。但是这样结构会有较大的水平支座位移, 尤其在温度荷载下 (40度温差) , 应予以注意。
竖向荷载在每个节点上按照设计值取为6.02KN, 水平荷载在每个节点上均按照设计值取为11.988KN。 (计算变形时按照标准值分别取为5.10KN和8.88KN) 。单元上的节点荷载由玻璃四角传来, 按面积生成。温度荷载取正负50度。温度线膨胀系数取1.1e-5。
(2) 结果分析。为了保证张弦桁架在最不利荷载的情况下不会松弛, 应给水平拉索和垂直拉索施加一定的预应力。计算分析表明, 在同时作用竖向荷载、水平荷载和升温50度的荷载下为最不利荷载。此时, 为了保证节点位移控制在1/250以内, 需要给拉索初始张拉应力最大值为170Mpa。
预应力索结构 篇2
本文主要针对levy式索穹顶, 研究了施工预应力水平的不均匀性, 利用非对称叠加原理与设计预应力值组合, 形成相对理想预应力存在不同差异程度的模拟施工预应力, 并编制了相应的计算机程序, 进行算例分析。通过控制多余杆初始预应力值的输入, 得到多组不同均值、方差的模拟值。
1 模拟施工预应力设计方法
本文所设计的模拟施工预应力, 是在结构初始预应力设计及理想预应力设计完成的基础上进行的, 所以首先介绍初始预应力设计及理想预应力设计部分。
1.1 初始预应力设计理论
索穹顶结构的平衡方程为[A]{t}={P} (1)
将[A]化为阶梯矩阵如下形式:
考虑体系的自应力模态时取荷载向量{P}={0}, 对该方程移项变化为
便得到了用多余杆轴力来表示非多余杆轴力的方程, 通过对多余杆加预应力来给整体结构加预应力。
1.2 理想预应力设计理论
理想预应力状态的标准主要体现在以下几个方面:
1.2.1 要保证张拉整体结构在正常工作条件下所有的不能松弛, 即在使用荷载作用下索中产生的内力不能为负值。
1.2.2 要使所施加的预应力状态能保证结构的几何形状。
1.2.3 在满足上述条件的情况下, 使预应力水平最低。
1.3 模拟施工预应力设计理论
设计模拟施工预应力时, 要求各杆件的预应力值不完全相同, 同时在每一节点又满足力的平衡条件。本文提出同类杆非对称叠加法进行模拟施工预应力设计。下面, 对应图1介绍该方法, 图中圆圈内的杆号为上层索, 三角内的杆号为下层索, 节点编号带有括号的为压杆下端节点。
1.3.1 如图示索穹顶结构, 根据上文所讲的化平衡矩阵为阶梯行, 求出该体系的多余杆件为31、32、56、57、59、60、61、62、63、64、65共计11个杆。
1.3.2 将31、32、56、57、59、60、61、62、63、64、65作为一个加载单元, 根据结构的对称性旋转一周, 分别取30、31、55、57、58、60、61、62、63、64、65为第二加载单元, 以此类推可得到8个加载单元。
1.3.3 利用平衡方程求出第一加载单元下各杆件的内力, 在其他加载单元下, 各杆件的内力分布规律与第一加载单元下的内力分布规律相同, 所以由对称性可知各杆件在其他加载单元下的内力。
1.3.4 仅对其中8个加载单元中的任意几个加载单元作用下的各杆件内力进行叠加, 这样得到的预应力是非对称但平衡的。
1.3.5 若此种组合得到的各杆件的预应力值之间级差较小, 则将其值缩小适当倍数后与理想预应力设计值组合, 可得模拟施工预应力;若得到一组级差较大的值, 无法用于施工预应力模拟, 则该种组合必须舍弃。
1.3.6 通过反复给定不同的初始多余杆件预应力, 可得到叠加值, 从而得到不同的模拟施工预应力, 并计算改组模拟值的均值、相对理想值的标准差。根据初始给定多余杆件预应力的大小以及不同的组合值, 可控制模拟施工预应力与理想预应力之间的差值, 从而得到多组数据。
2 算例分析
以图1所示的索穹顶结构为研究对象。其内径为100cm, 外径为200cm, 压杆高度为60cm, 中心压杆与内上斜索的夹角为80°, 第一圈压杆与外上斜索的夹角为70°。该结构的理想预应力值已中求得。通过程序计算, 结果见表1。
本文所列表格数据只是针对一组多余杆预应力初值所得结果, 其中数据重复部分是因为多余杆在此类杆件中比较集中, 导致同类杆叠加值相同, 所以模拟值重复, 通过多次改变多余杆初始值的大小, 将会得到其他多组不同的模拟值。
3 结束语
预应力索结构 篇3
近年来,预应力索杆结构在工程中的应用日益广泛。尤其以索穹顶结构为代表的索杆结构体系已成为当前大跨度空间结构的研究热点之一。在合理的预应力分布下,预应力索杆结构体系可以稳定地承受外部荷载,并能满足较常规结构更大的跨度要求。而实际工程中,索杆结构的预应力分布和形状受制造、安装和张拉控制等方面误差的影响而偏离设计值,进而导致结构的整体性能受到影响。
本文主要研究索长误差对初始预应力的影响,并比较实施不同施工方案时误差影响的敏感性。对此,应首先研究索长误差分布的随机数学模型,并提出因索长误差引起初始应力偏差的分析方法。再以一实际工程的索杆结构为例,分析不同索长误差对结构的初始预应力的影响以及形状的敏感性,讨论不同施工张拉方案对于减小索长误差效应的有效性,考察了放宽索长误差限制对结构初始预应力偏差的影响规律。
1 索长误差的数学模型
根据相关规范,拉索的制作误差不应超过拉索长度的0.25%,且具体规定了不同长度拉索的最大制作误差,如表一所示。
结构各拉索长度的误差可视为相互独立的随机变量,并且各独立的索长误差对总体的误差分布影响很小。根据林德伯格定理[1],可近似采用正态分布作为索长制作误差的随机分布模型。定义X为索长制作误差的随机数,则X服从正态分布N(μ,σ)。
实际工程中,每一拉索因制作产生长度正误差或负误差的概率相等。因此,索长制作误差正态分布模型的期望μ可取为零。记在索长制作误差的总体分布中,任意制作误差小于等于拉索最大制作误差M的概率,即保证率为P,则索长制作误差正态分布模型方差σ可按下式计算:
采用计算机生成均匀分布的随机数[2,3],并建立索长制作误差的正态分布随机模型。
首先通过计算机编程,生成在[0,1]上均匀分布的随机数。根据独立同分布的中心极限定理,无穷个相互独立、服从同一分布且具有相同数学期望和方差的随机变量之和服从正态分布。令,其中y1,y2,…,yn为相互独立且在[0,1]上均匀分布的随机变量。当n足够大时,Y近似服从正态分布N(n/2,n/12)。
根据正态分布的有关理论[1],当n较大时,分布函数与均服从标准正态分布N(0,1),因此可得出服从正态分布的索长制作误差随机数学模型如下:
根据式(1)和(2),应用Matlab[4]编制程序,可以产生索长制作的正态分布随机误差。应该注意的是,得到的每一随机误差均应满足表一中关于拉索最大制作误差的规定。
2 给定索长误差的预张力偏差分析
给定索长误差的预张力偏差分析实质是形状分析问题,即已知各索段和杆的实际原长以及构件材料特性和结构拓扑关系,对结构进行求解,获得结构形状和构件内力。构件的实际原长l'0可按下式计算:
式(3)中:l0为构件的理论原长;η为满足规范要求的索长制作误差,由索长制作误差的随机数学模型产生。
预应力索杆结构的拉索包括被动张拉索和主动张拉索两类。其中,被动张拉索的长度为定值,而主动张拉索的长度可以调节,其控制参数为设计初始预应力。基于索长误差的预应力索杆结构敏感性分析,仅对被动张拉索引入索长制作误差,研究其对整个体系的形状以及初始预应力的影响。由于被动张拉索的索长制作误差,在结构的预应力成形过程中,需不断地调节主动张拉索的张拉长度,使主动张拉索的预应力值与其设计初始预应力值相等。
3 斜拉索杆系统的敏感性分析
3.1 斜拉索杆系统计算模型
图一为一斜拉索杆系统[5]的轴测图,结构分析模型中的节点和单元编号分别如图二和图三所示。其中,第10、19、28、36号节点为桅杆落地节点,第37~40号为主稳定索张拉端节点,第8、9、17、18、26、27、34、35号为后端斜拉索落地节点。这些节点在计算模型中均设有三向线位移约束。
根据斜拉索杆系统的两个对称轴,对其单元进行分组。单元分组情况及各单元初始预张力列于表二。根据表一的规定,索网系统各单元的最大制作误差如表三所示。
第11~15组单元为主稳定索,它实际为2根通长索,因此,在每个单元满足其最大制作误差的前提下,相关单元(图三)的误差总和还应满足通长索的最大制作误差。
第7组为桅杆单元,在本章分析中对其制作误差也按钢索制作误差考虑。
第10组单元为主动张拉索,即通过张拉这四个单元使得整个结构形成一个自平衡的预应力系统。计算分析以第10组单元达到初始预应力值作为张拉成形的控制目标。
3.2 索长误差方案
在敏感性分析时,首先根据索长制作误差的正态分布模型,产生符合表三要求的随机数组来描述索杆体系的索长制作误差。其中负值表示拉索缩短,正值表示拉索伸长。由于第10组单元为主动张拉索,不对其产生误差随机数。其次,考虑上述索长误差的随机数组,采用动力松弛法对结构进行成形分析,并以第10组单元达到其初始预应力值为控制目标。在结构成形后,考察上述索长误差对体系整体形状及初始预应力的影响。
本文在敏感性分析过程中采用了三种不同的索长误差方案,考察斜拉索杆系统的形状以及初始预应力的变化,如表四所示。方案一假定索长误差与索杆体系具有相同的双轴对称性,即处于对称位置的各单元具有相同的索长制作误差。这样,每一个索长制作误差的随机数组仅包含19个独立值,数据量较小,便于分析比较。而实际工程中,各单元的索长制作误差都是独立的,不具备对称性。因此,需要补充方案三,按单元分配索长误差。此外,方案一的分析结果表明部分单元对索长制作误差的预应力敏感性很小,可对其采取零误差处理。基于此,可以提出兼顾分析方便性和真实性的索长误差方案二。
根据三种误差方案各生成20组随机数组进行敏感性分析。根据结构的双轴对称条件,敏感性数据分析结果以单元组的形式列出。
3.3 对初始预应力的影响
表五中列出了索长误差方案一的2组随机索长制作误差以及其对结构初始预应力的影响,负值表示初始预应力减小,正值表示增大。比较在索长误差Ⅰ和Ⅱ的情况下第17组单元的预应力误差,可以明显看出:当索长为负误差时,结构初始预应力偏大;反之,结构初始预应力偏小。对于预应力索杆结构来说,初始预应力增大使得结构的整体刚度更大,进而使结构在使用过程中的承载能力有较大富余。因此,增大拉索的初始预应力对结构较为有利。此外,第17组单元的索长负误差对结构初始预应力的影响较索长正误差更大。比较其他对制作误差的预应力敏感性较大的索单元,也基本满足这个规律。
图四和图五分别给出了不同索长误差方案下各单元组的预应力偏差最大值和均值。从图四和图五中可以看出,水平索(第16~20组单元)对索长制作误差的预应力敏感性最大,尤其是第17、18组水平索单元,其预应力最大相对偏差超过60%,偏差均值也在18%以上。前端斜拉索(第1~6组单元)对制作误差的预应力敏感性较大,预应力最大相对偏差在15%左右,其偏差均值基本为5%;而后端斜拉索(第8、9单元)和主稳定索(第11~15单元)对制作误差的预应力敏感性较小,其预应力相对偏差均值基本在3%以内。
实际上对于每组单元来说,其预应力绝对偏差的最大值基本是30~50kN。造成水平索和前端斜拉索对制作误差较敏感的主要原因是其初始预应力较小。
比较各索长误差方案下结构初始预应力的变化情况可发现,在索长误差按单元分配的方案二和方案三中,水平索的初始预应力偏差略有降低,后端斜拉索和主稳定索的预应力偏差虽有增大,但仍较小。比较索长误差方案二与方案三的分析结果可看出,在考虑了桅杆、后端斜拉索和主稳定索的随机索长制作误差后,后端斜拉索和主稳定索的预应力误差较方案二有较大增加,说明水平索和前端斜拉索对制作误差的预应力敏感性主要受自身索长制作误差的影响。
3.4 各张拉方案的敏感性分析
本章考虑了两种斜拉索杆系统的张拉成形方案:方案一中只张拉四根主动张拉索,上述成形分析均采取此方案;方案二中同时张拉后端斜拉索和主动张拉索。根据表三给定的随机索长制作误差,分析两种张拉方案下结构各组单元的初始预应力偏差,并列于表六。
从表六中可以看出,当结构采用方案二张拉成形时,前端斜拉索和主稳定索的初始预应力最大偏差均有所减小,但水平索的初始预应力最大偏差几乎没变。因此,采取张拉方案二对于减小前端斜拉索和主稳定索的初始预应力偏差有帮助。但方案二无法改善水平索对制作误差的预应力敏感性,这种结果很大程度上是由于水平索对制作误差的预应力敏感性主要源于自身的索长误差。因此,在实际工程中,应严格控制水平索的索长制作误差,且应采用方案二对结构张拉成形。
4 结束语
本文建立了索长制作误差的正态分布随机数学模型,对给定索长误差的结构进行张拉成形分析,并根据实际工程引入了主动张拉索的概念,比一般方法更符合实际情况。文章对一斜拉索杆系统进行了基于索长误差的敏感性分析,得到如下主要结论:
(1)斜拉索杆系统是一种索杆张力体系,靠预应力来提供刚度。
(2)前端斜拉索和水平索对索长制作误差的预应力敏感性较大,其中水平索由于初始预应力较小,对随机索长制作误差表现最为敏感。为防止水平索的初始预张力过小甚至松弛,应更为严格控制其索长误差,尽量避免出现正误差。
(3)一般情况下,负误差使得单元内力增大,正误差则相反;对于绝对值相等的正负误差,负误差对结构初始预应力的影响更大。负误差相对正误差来说对结构较有利,因此,在实际工程中,应尽量避免出现较大正误差。
(4)对两种不同张拉方案的分析得知,张拉方案二虽对水平索的初始预应力误差没有改善,但能显著减小前端斜拉索和主稳定索的初始预应力误差。在实际工程中,建议采用张拉方案二。
摘要:本文基于索长误差的概率分布模型,分析预应力索杆结构施工张拉的初始预应力偏差。首先讨论了索长误差的随机数学模型,建立了一种关于预应力索杆结构索长误差效应的计算方法。其次以实际工程为算例,考察不同的索长误差对结构初始预应力的影响,并比较不同的施工张拉方案对于减小索长误差影响的效果。分析结果表明,合理的张拉方案能有效减小结构的初始张力偏差。
关键词:预应力索杆结构,索长误差,预应力偏差,施工张拉
参考文献
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斜拉桥索梁锚固结构应力分析 篇4
安庆长江大桥主桥为主跨510m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。钢箱梁为扁平闭口流线形,索梁锚固为钢箱式锚固结构。该结构锚箱处板件较多,连接复杂,索力较大,加上斜拉索索力对腹板会产生附加弯矩,通过理论分析和计算研究,该区域都难以准确反映其真实的应力分布情况。为此,对钢箱梁与斜拉索的锚固结构进行了静载试验,以研究锚箱附近的应变和应力状态。
1试验模型及试验基本情况
试验模型主要包括模拟主梁、模拟索塔及张拉钢绞线三部分。模拟主梁采用了4.75m的长度,锚箱箱体及与之连接的腹板采用了与实际结构一致的尺寸及连接方式,主梁顶、底板则加厚并向锚箱一侧延伸,采用宽1.2m、厚0.05m的板件。模拟索塔采用箱形钢结构构件,一方面模拟主梁的约束条件,另一方面作为加载的反力构件。张拉杆用于模拟斜拉索进行加载,加载通过安装在模拟索塔张拉架上的900t级千斤顶进行。
该桥的最大设计索力为460t,由此确定试验加载工况。进行3种工况加载:工况Ⅰ分级加载到最大设计索力;工况Ⅱ分级加载到1.7倍最大设计索力;工况Ⅲ分级加载到1.9倍最大设计索力。
2 试验结果及其分析
2.1 应力分布分析
锚箱由顶板、底板、侧板、承压板、肋板构成。其中肋板不是主要受力构件,其应力较小,而承压板受力简单。此外,试验主要关心的是锚箱结构在最大设计索力460 t下的受力情况。因此只对工况Ⅰ实际1.0倍最大设计索力下,锚箱顶板、底板、侧板进行分析。根据试验测得的应变,可算得锚箱板件各测点的主应力及其作用方向,见图1~图4。
从图1,图2可以看出,锚箱顶、底板均以受压为主,且受力呈现一定的规律性。主压应力方向大致平行于板边缘,即平行于张拉钢绞线方向。而在垂直于该方向,锚箱顶、底板的受力相对较小。在锚箱顶、底板靠腹板侧主压应力中间小两头大。在另一侧则相反,主压应力呈现中间大两头小的规律。在顶、底板中间,主压应力从其靠锚箱承压板端向另一端递减。由此表明,锚箱结构为偏心受压状态,使得顶、底板存在受扭现象。锚箱顶、底板在其自由端靠腹板侧应力较大,而且对于顶板,在此处另一方向还存在较大的主拉应力。
从图3,图4可以看出,锚箱内、外侧板的两侧以受压为主,其主压应力方向大致平行于张拉钢绞线方向。而在垂直于该方向,内、外侧板的受力相对较小。锚箱内、外侧板在中间靠槽口处以受拉为主,主拉应力方向垂直于张拉钢绞线方向。而在另一端,外侧板仍以受拉为主,内侧板则以受压为主。锚箱内、外侧板的最大主压应力均发生在其靠锚箱承压板端,并由此向另一端递减。
2.2 应力发展进程分析
为了研究应力随加载的变化进程,在工况Ⅱ下,进行14级加载。即采用分级加载从1级0.2倍最大设计索力到14级1.7倍最大设计索力。取锚箱内、外侧板部分测点,根据其各级加载所得主应力,计算得各级加载等效应力,见图5。
从图5中可以看出,荷载与应力呈线性关系。表明在1.7倍最大设计索力,即782 t索力范围内,锚箱内、外侧板均未屈服,结构受力呈线性状态。
3 三维有限元仿真分析
本次试验模型的有限元计算,采用的是大型通用程序ANSYS。计算模型主要采用空间板壳单元Shell43建立,在锚箱承压板和索塔上斜拉索锚固承压板处,采用了接触单元Targe170和Conta174。由于模型中的斜拉索只是起加载作用,因此计算时采用两锚固处的等效分布荷载代替。
从图6中可以看出,锚箱顶、底板在其自由端靠腹板侧主应力较大,且应力沿斜拉索方向逐渐减小,到达承压板附近又迅速增大,最大压应力处达到248 MPa,等效应力为224 MPa。锚箱内、外侧板在其靠锚箱承压板端应力最大,且应力向自由端方向逐渐减小。锚箱以受压力为主。锚箱加劲肋板应力较小。
4 试验实测值与有限元计算值比较
根据主应力,可算得测点实测等效应力值,并把该等效应力值与有限元计算的等效应力进行比较,见表1,表2。
MPa
MPa
从表1,表2等效应力实测值与计算值的比较中可以看出,大部分测点的试验实测值和有限元计算值很接近。证明试验结果符合力学规律,是可信的。同时,也证明采用三维有限元分析的索梁锚固结构应力基本能够反映实际应力分布规律。
5结语
锚箱顶板、底板、侧板均以受压为主,主压应力方向大致平行于张拉钢绞线方向,而在垂直于该方向的受力相对较小。锚箱顶、底板最大主压应力均在靠腹板侧近主梁端,而侧板的最大主压应力值均在靠锚箱承压板端,并由此向另一端递减。在锚箱顶、底板靠腹板侧主压应力中间小两头大;在另一侧则相反,主压应力呈现中间大两头小的规律;在中间主压应力从锚箱承压板端向另一端递减。在782t索力范围内,锚箱结构受力呈线性状态。
有限元计算应力值与实测应力值吻合较好,证明试验结果可信,而且三维有限元方法可以用于估算实际索梁锚固结构的应力分布。
参考文献
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预应力索结构 篇5
关键词:空心板梁,体外索,加固
1 引言
体外预应力结构是后张无粘结预应力结构的一个分支,是一种用构件截面以外的预应力束来对结构施加预应力的结构体系。早在1920年欧洲就采用体外索技术加固桥梁,1934年德国工程师Franz Dischinger获得体外无粘结预应力技术专利。体外预应力的发展经历了兴衰交替的三个阶段:上世纪30~50年代是早期应用阶段;60~70年代是停滞阶段;80年代至今是再发展阶段。
体外预应力因其施工方便、快速高效、易于检测和更换的特点,现已被广泛的用在建筑领域和桥梁工程中。在桥梁加固工程中更具优势。它不仅能改善结构的受力状态,提高结构的刚度和承载力,限制和减少结构的裂缝及变形,同时施工操作对桥梁运营干扰较小,具有良好的经济效益。
2 工程实例
1999年,某新建高速公路双幅单跨跨径7m、宽12.5m的正交通道桥,设计荷载为:汽车-超20级,挂车-120。上部结构原设计为普通混凝土预制空心板梁,中板72cm宽,边板104.5cm宽。因施工需要,变更为现浇整体式空心板结构。在高速公路交工验收时,发现桥梁板底有多条规则的顺桥向长度不等的裂缝,并且有发展现象,裂缝位于梁板空心腔体最薄弱处,桥面未发现肉眼可见裂缝。
解决该质量问题拆除重建是最安全可靠的做法,但将直接影响到高速公路沥青混凝土路面施工,进而将延误既定通车时间。经过参建各方反复论证,决定采用两个方案解决这个质量问题。
右幅梁板开裂较严重,为确保结构安全,拆除右幅梁板,重新浇注;左幅梁板采用横向预应力钢筋进行体外索加固。
2.1 左幅梁板横向预应力钢筋体外索加固施工简介
预应力钢筋顺桥向按等间距100cm分布,编号为:左1—左2—左3—左4—预留—左5—左6。
(1)准备工作
加工预应力体外索构件:张拉用法兰螺丝(长350mmⅣ级Φ45钢筋)和Φ22、Φ25的预应力冷拉Ⅳ级光圆钢筋(法兰螺丝大样如图1),锚固用L形边缘锚固板(高200 mm×宽520mm×厚20mm+长200 mm×宽520mm×厚20mm)、底板锚固钢板(长845mm×宽520mm×厚20mm);锚固钢板用Φ32钢筋、固定钢筋网和铁丝网用M12×130mm膨胀螺栓、喷锚钢筋网Φ12、Φ18普通钢筋、25.4mm长4目的0.9mm镀锌低碳钢丝(孔度近似5.45mm)、环氧胶泥、堆载用地材;其他施工机具和材料;张拉力观测设备。
(2)施工简介
①放样:
根据加固方案,准确地在桥梁底板、底板边缘放样体外索设置位置:边缘L形锚固钢板、底板锚固钢板、法兰螺丝。
②开凿:
按放样位置开凿1.35cm深板底锚固槽和底板边缘锚固槽,法兰螺丝位置在板底中间,开凿深度1cm、长度37cm。开凿面要平整,防止阻碍法兰螺丝旋转。开凿面必须清洗干净。
③安装:
用环氧胶泥固定好锚固钢板并且用Φ32钢筋植入梁板加固,加固位置在梁板实心段;锚固件四周与板混凝土间的空隙用环氧砂浆封闭牢固;锚杆与板混凝土间采用40#膨胀水泥砂浆进行锚固;组装好法兰螺丝张拉系并焊接牢固,焊接要求双面焊。
张拉体系:L形边缘锚固板→底板锚固钢板→Φ22预应力冷拉Ⅳ级光圆钢筋→Φ25预应力冷拉Ⅳ级光圆钢筋→法兰螺丝←Φ25预应力冷拉Ⅳ级光圆钢筋←Φ22预应力冷拉Ⅳ级光圆钢筋←底板锚固钢板←L形边缘锚固板
④张拉:
由工人用合适的扳手(用钢管接长手柄)旋转法兰螺丝,对预应力冷拉Ⅳ级光圆钢筋施加张拉力,张拉顺序按左1—左6—左2—左5—左3—左4进行。
张拉力控制采用观测待张拉的Φ22钢筋上粘贴的应变片,用YJ-18应变采集仪进行应变控制。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)的规定,钢筋的弹性模量取2.0×105MPa。预应力钢筋张拉应力为0.7Py=490kN,张拉力为125kN,营运阶段预应力钢筋最大拉力为150kN。通过观测,张拉力都能够达到125kN以上。
⑤堆载:
用袋装砂石料在桥面堆载,堆载Q=10kN/m2,跨中挠度控制为2mm;堆载系在张拉完预应力钢筋后进行,按先堆载跨中中心点,然后向四周均匀堆载,由轻载向重载逐级加压这种顺序施工
⑥锚喷:
待整个体系堆载稳定后即可进行挂网喷锚水泥砂浆加固防护、抹面找平修饰施工。35号水泥砂浆喷射60mm,喷射水泥砂浆前对底板凿毛处理。钢筋网架由Φ12、Φ18钢筋组成,点焊在膨胀螺栓上,膨胀螺栓进入板底65mm,外露大于40mm的部分用砂轮磨去,镀锌低炭钢丝网绑扎在钢筋网或膨胀螺栓上。
2.2 右幅拆除,分析产生病害原因
用空压机按1m宽度开槽切割梁板,吊车起吊梁板,平板车外运废弃,重新浇注梁板。凿开的梁板实体检验了施工质量良好:原设计C30混凝土强度实际达到C35以上,钢筋数量符合设计,钢筋制作安装符合规范要求。通过分析,梁板出现裂缝是由于设计上的疏忽,桥面原1m宽梁板之间为铰结结构,改现浇后成为刚性结构,横向筋由简单的梁式分布变为横向通长布置,因此横向钢筋配置偏少,致使横向抗弯强度不够,在施工荷载作用下,梁板沿薄弱处产生裂缝。
2.3 体外索加固效果
张拉完毕,仔细检查桥梁板底和桥面均未有肉眼可见裂缝,加固的桥梁经过了整十年的高速公路运营的考验,回访未发现质量问题。体外索加固有效地改善了桥粱在正常使用阶段的工作性能,裂缝宽度变小,挠度明显减小,增强了结构的耐久性,提高了桥梁承载能力,满足了使用功能,达到加固目的。
本加固方案采用法兰螺丝施加预应力的构思新颖,一种受力明确、施工简便,机具简单;加固过程对桥上通行影响少,无噪音;永久性侵占桥下净空少;左幅的加固费用与右幅的重建相比较,经济效益明显。
3 结束语
预应力索结构 篇6
在道路桥梁工程中, 预应力体外索施工技术能够有效提高桥梁的安全系数, 是保证工程质量的关键技术。随着我国交通运输业的不断发展以及交通运输量的不断增加, 整个道路桥梁工程的规模也在不断增加, 以及数量的增多要求道路桥梁工程一定要有较高的质量, 有效保证人们的出行、运输的安全。与其他的施工技术相比, 预应力体外索技术有着更加明显的优势, 这一点也使得预应力体外索技术在道路桥梁工程中得到了广泛应用。
1 预应力体外索施工技术概述
1.1 预应力体外索施工技术
预应力体外索技术在施工过程中不需要在混凝土内部设置预应力管道, 腹板厚度变薄能够减轻整个结构的自重, 并且混凝土灌注没有管道的阻碍, 大大提高了混凝土的浇筑质量, 有效保证了结构的耐久性。另外预应力体外索施工技术不需要制孔、压浆, 能够有效提高施工速度, 结合整个工程来看采用预应力体外索施工技术的综合效益更好。在工程建设的过程中, 能够十分方便地检测预应力体外索的应力状态以及防护效果, 同时当体外索达到一定更换条件可进行二次更换。由于预应力体外索施工技术能够简化曲线预应力筋, 从而使得预应力体外索与梁体的接触更少, 使得预应力的传输变得更加简单, 从而减少了其中的摩阻损失。整个道路桥梁工程工序简单, 中间可以减少许多繁琐的工序, 加快了施工速度, 缩短施工工期[1]。
1.2 预应力体外索施工技术理论基础
体外预应力桥梁的力学性能在一定程度上与体内无粘结预应力桥梁相似, 在使用荷载的状态下可以使用弹性分析的方式。如果是在极限状态下则按照无粘结预应力混凝土结构进行分析[2]。箱梁内布索的体外预应力结构可以不需要考虑疲劳问题, 这是因为此种结构的纵向变形小, 钢筋的应力很小, 因此不需要考虑。两者之间最大的不同就是, 体外预应力具有二次效应, 这是预应力体外索施工技术在弹性阶段最重要的特点之一。力筋在结构的外部, 当存在荷载作用时下梁体发生下挠, 体外索只会在锚固区与转向块处接触到梁体, 但是并不会随着梁体的下挠弯曲变形, 但是力筋偏心距会随着梁体的逐渐下挠出现变化。因此, 可以说体外预应力筋增量会比体内有粘结预应力筋要小, 即便是在极限承载能力下也要比体内筋要小[2]。当混凝土压碎普通钢筋都达到了屈服状态时, 体外预应力仍然没有达到屈服强度, 因此, 就需要配置一定量的普通钢筋有效提高主梁的延性, 避免梁体出现脆性破坏。另外, 预应力体外索结构在极限状态下体外索与主梁混凝土不满足变形协调条件, 体内预应力结构因为摩擦作用当混凝土收缩或者伸长时, 预应力筋也会发生相应的变化。而体外预应力筋伸长量取决于梁体变形时转向块之间的变化而不是梁体挠度变化, 它的应力增量不是取决于梁体截面的应变, 而是取决于整个梁的变形[3]。
体外索在承载能力极限的状态下极限应力的表达式可以用体外索的有效预应力加上应力增量表示[4]。JGJ/T92-93《无粘结预应力混凝土结构技术规程》规定:如果预应力筋采用碳素钢丝、钢绞线时, 其计算公式为: (1) 当高跨比L/h≤35, β0≤0.45时, σpu=σpe+ (500~770β0) /1.2; (2) 当高跨比L/h≥35, β0≥0.45时, σpu=σpe+ (250~380β0) /1.2。这个公式重点强调了普通钢筋配筋率对梁的极限状态以及预应力筋极限应力的影响。关于二次效应的计算方法, 先假设适筋梁极限破坏时塑性铰理论依旧成立, 并且最大弯矩界面处开裂时两边的梁体发生刚性转动无绕曲变形, 可以得到Δly=4fu/L (hy-Xs) , 预应力筋极限增量为:Δξy=Δly/ly=4fu (hy-Xs) /ly L, 其中的L为计算跨径;hy为体外预应力筋重心到梁顶的距离, Xs为梁发生截面破坏时实际受压区高度;fu表示梁破坏时极限挠曲值;Δly为体外预应力筋的总伸长量。
2 道路桥梁工程中预应力体外索施工技术
2.1 施工工艺流程
道路桥梁工程中预应力体外索施工的具体施工流程为: (1) 施工机具准备; (2) 安装并固定转向器; (3) 转向器与外套管间灌浆; (4) 预应力体外索穿束及张拉; (5) 索体与转向器间填充橡胶; (6) 预埋管内灌注环氧树脂浆; (7) 安装放松、防腐装置[5]; (8) 完成防腐装置安装[6]。由于每一项工艺的施工质量都关系下一步的施工以及整个工程的质量, 因此, 在实际的施工过程中应该严格控制每个步骤的施工质量, 加强每一项施工过程的质量控制。另外一个重点就是需要严格控制施工材料以及施工机具的质量[7]。针对施工过程中使用的各种设备、仪器、仪表等, 在进入施工现场之前必须保证其质量合格, 能够保证正常的施工需要。同样施工材料的选择, 应该严格按照国家的相关标准进行材料的采购。有效保证施工的顺利进行。
2.2 转向装置处理施工
转向装置作为一种特殊构件, 转向块是体外预应力索在跨内唯一与梁体有联系的构建, 承担着转向任务。是体外预应力混凝土结构中十分重要的结构构造之一[8]。目前的转向专职有肋板式、转向块式以及横隔板式三种。一般比较常用的是转向块式。将转向块布置在箱梁腹板和底板相交的位置, 通过设计将钢筋、箱梁顶板、底板连接成为一个整体。由于在张拉体外索时, 转向块、腹板与底板相连的部分会产生较大的应力以及剪力, 在这种过程中需要充分保证施工质量。
针对节段梁可以采用预制的方式, 完成预制工作之后再将其运输到现场进行拼装, 这种方式能够很好地控制转向装置的质量。在预制的过程中, 需要通过使用特质的镀锌无缝钢管转向器预留成型孔, 在预埋转向器安装的过程中必须严格按照设计图纸的位置进行安装。在进行安装之前, 先将转向器与外套管之间残留的各种杂物清理干净[9]。完成这项工作之后将已经准备好的橡胶条塞进转向器与外套管的两端空隙当中, 同时调节转向器位置, 严格保证转向器位置与设计图纸中曲线的位置一致, 完成之后在转向器与外套管之间进行灌浆工作。在灌浆的过程中, 应该将水泥浆从最低点的压浆孔位置开始压入, 直到最高点的排气孔排气和余浆冒出。在整个压浆的过程中, 需要保持压浆速率在比较平稳的状态下进行, 不可中断。完成压浆工作之后需要检查压浆情况, 如果发现存在不密实的情况, 应该立即采取处理措施。
2.3 穿束施工
在成品索卷抵达施工现场之后, 将其放置在指定位置上。将成品索束的牵引头与卷扬机钢丝绳通过穿束器相连, 使用慢速卷扬机进行机械穿束[10]。在这个过程中, 穿束器与卷扬机钢丝绳的相接处应该保证能够自由转动, 目的是为了避免成品索束缠绕、扭转。如果是箱型梁安装预应力体外索, 可以使用箱梁内安放的慢速卷扬机拽拉就位。成品索束在转弯、通过转向器与横隔板等处时最好架设尼纶轮, 这是因为在这个过程中成品索束容易被磨损, 刮坏钢绞线环氧涂层。需要注意的是, 尼纶轮的间距要≤20 m, 最好能够在地面上铺设一层有一定厚度的软垫层, 在每隔一定的固定距离设置支撑架, 对转向关口进行打磨, 避免刮伤体外索的PE层。另外, 在穿越转向器、直接以及钢管等硬质构件时, 应该设置橡胶板。
在进行成品索束安装的过程中, 应该采取一定措施避免刮伤钢绞线表面的环氧涂层。当成品索束拽拉到位之后进行清丝梳理, 避免出现缠绞、扭转现象。整个过程需要不定时地检查转向器、横隔板穿越钢管、减震支架是否存在移位、滑动现象。每个使用到的设备要检查是否安装牢固。特别是牵引卷扬机, 检查其机械性能以及钢丝绳的情况。在穿束施工过程中, 应该尽量避免使用电弧或者氧割。
2.4 张拉与锚固
在进行张拉与锚固之前, 应该做好相关的准备工作。准备工作包含: (1) 进行千斤顶校验; (2) 确定油压读数, 需要注意的是油压读数要与拉力大小一致; (3) 测定体外索与转向装置; (4) 测定锚固段的摩阻力系数; (5) 计算体外索理论伸长值。关于准备工作中 (1) 和 (2) 可采用内插法计算出对应施工图纸所给定的张拉总值的相应油压读数。或者使用比例法, 即选择张拉吨位最近的一点采用比例关系的方式直接计算出来[11]。关于锚固段的摩阻力系数可以直接使用厂家提供的数值, 但是需要满足预应力转向装置与锚固器均是采用的预制构件。对于现场浇筑的预应力转向装置, 采用现场测定的方式确定摩阻力系数。
体外索的张拉应力一定要符合设计要求。在具体的施工过程中, 如果体外索需要超张拉或者将锚圈口预应力的损失计算在内, 就需要在原有的设计要求的基础上张拉应力再提高5%, 但是不可以超过设计规定的最大张拉控制应力。在完成了准备工作之后, 开始进入到张拉工作中。第一步, 安装锚环和夹片。安装锚环时定位凸台应该嵌入到锚座孔内。在安装的过程中夹片的安装应该平齐。第二步, 进行千斤顶的定位。将千斤顶采用手拉葫芦安装固定在HDPE管临时支撑上, 在安装的过程中应该严格注意工具锚与工作锚环对正, 保证钢绞线不打结, 工具夹片应该安装平齐, 最后千斤顶的安装效果是能够达到直接顶住锚环。第三步, 开始张拉。整个张拉过程分为初始状态、达到设计应力的15%、达到设计应力的30%、达到设计应力的45%、达到设计应力的60%、达到设计应力的75%、达到设计应力的100%。整个过程持续2 min。在张拉的过程中需要记录好千金顶压力以及活塞外露量。第四步, 进行夹片自动锚固。当千斤顶已经达到了所需的张拉力之后, 进行回油, 将所有的钢绞线整齐的锚固在锚具内, 将千斤顶的活塞返回原位。如果还未达到需要的张拉力, 继续张力, 直到达到所需的张拉力为止。
2.5 外索更换
道路桥梁工程预应力体外索受到各种因素的影响, 其结构不断劣化。因此, 在特定情况下应该进行外锁的更换。此举需要在道路桥梁工程的设计阶段就考虑到此问题。不管是进行外锁的重新张拉还是更换, 都需要在操作之前对原预应力体外进行索检查并进行工程分析。如果是采用重新张拉的方式, 仍然使用千斤顶, 还可以使用机械方式, 例如调整可调式螺栓和螺旋楔块。如果是采用更换的方式, 首先在梁或者板处设置支撑柱或者采用其他安全可靠的临时转换措施有效支撑部分荷载, 保证更换外索时的施工安全。其次, 将体外预应力筋的保护层去除, 之后进行预应力筋的放松, 如果使用的锚具是支持放松的锚具, 直接采用调整锚具的方式完成放松, 如果不支持放松, 就需要对钢绞线进行加热将储存能量释放出来。对于单根钢丝使用钢丝切割机逐一切断。最后, 进行新的预应力体外索的安装与张拉。采用逐根更换的方式, 当撤走一根力筋时应立即安装并张拉一根新的力筋。如果预应力体外索在套管中并且套管不需要更换时, 在放松一根之后接上新的一根, 等到旧的被抽出, 新的就会被全部拉入就位。完成之后设计预应力值。
3 结合实例分析预应力体外索施工技术的应用
某大桥采用的是纵、横双向预应力体系, 箱梁的状态下预应力全部由体内预应力提供。体外预应力设计方向为容易安装, 良好的检查、检修条件。该工程体外预应力束钢绞线采用的是15.24无粘结环氧低松弛钢绞线, 单股钢绞线由7根钢丝组成。整股钢绞线外挤压PE层的成型钢绞线, 22根做一整索, 钢绞线截面积140 mm2, 标准强度1860 MPa, 弹性模量1.95×105MPa。该桥使用转向块作为转向装置, 使用无灌浆、可拆卸替换的体外预应力体系。
该工程转向块布置在箱梁腹板与底板相交的位置。在定位时使用钢筋骨架与定位钢筋操作。在下料与穿索的过程中铺垫了彩条布作为体外索的保护层, 使用人工配合小型卷扬机进行穿索工作。进行体外索张拉过程中, 使用YCT-24型千斤顶单根对称分级张拉。针对索长小于100 m的张拉, 使用22根钢绞线完成张拉工作。该工程在张拉完成之后进行外套管的安装, 每根外套管长度为5.8 m, 使用卡箍连接。在体外索钢索直线段每隔8~10 m的位置安装一个减震器。完成体外索张拉之后, 使用砂轮机将锚头两端多余的钢绞线切除, 钢绞线外露工作锚板端面的距离为45 cm。连接油脂压力管开始关注油脂, 直到出油口处不再冒出气泡, 封堵出油管口并稳压2 min。关于预应力换索, 该桥梁工程进行了单根体外预应力索的换索研究, 全部工序包含: (1) 进行准备工作; (2) 油脂清除工作; (3) 安装千斤顶; (4) 进行单根钢绞线的退锚工作; (5) 完成新旧钢绞线的置换; (6) 进行新的体外索张拉。在整个的换索过程中, 该工程严格按照规定进行操作, 并且对该桥梁实行了限载、限量、限速管制。在钢绞线下料与穿索的过程中有效保护了体外索的护套, 在钢绞线穿过转向器时, 安排工作人员在一旁辅助。在换索过程中, 为了有效保证施工的顺利进行, 实行了1 h的交通管制。同时在退锚和张拉钢绞线的过程中严禁锚后站人。
4 结语
借助众多优势, 预应力体外索施工技术在道路桥梁工程当中的应用越来越广泛。道路桥梁工程在我国的交通运输业中发挥着重要作用, 是促进我国经济发展以及推进我国城市化建设的重要方面。道路桥梁工程的质量关系到人们的出行安全, 因此, 提高施工技术水平, 高效合理地使用预应力体外索施工技术十分重要。
摘要:在我国交通运输量不断增加的同时, 道路桥梁工程为了能够追上运输量增长的变化, 需要不断加强建设。在道路桥梁工程中, 一项十分重要的技术即预应力体外索施工技术是保证道路桥梁工程顺利施工的一项重要技术, 目前在国内外道路桥梁工程中应用十分广泛。本文重点阐述道路桥梁工程中预应力体外索施工技术, 并结合实例分析其在工程中的具体应用, 旨在为我国道路桥梁工程建设工作提供更加有力的理论参考。
关键词:桥梁工程,预应力体外索,施工技术,应用
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预应力索结构 篇7
预应力锚固是指由钻孔穿过软弱岩层或滑动面, 把锚杆 (索) 一端锚固在坚硬的岩层中 (内锚头) , 在另一个自由端 (外锚头) 进行张拉, 从而对岩层施加压力对不稳定岩土体进行锚固的一种方法。与传统的边坡治理方法相比, 具有如下优点。
1) 经济性好。锚固技术既可单独使用 (充分利用岩土体自身强度, 从而节省大量工程材料) , 也可与其他结构物组合使用, 改善其受力状态, 具有显著经济效益。
2) 深层加固。根据工程需要, 加固深度可达数十米之深。
3) 主动加固。能够主动控制岩土体变形, 调整岩土体应力状态, 有利于岩土体的稳定性。预应力锚索结构是在岩土体及被加固结构物产生变形之前发挥作用, 这与挡土墙、抗滑桩等支挡结构在岩土体变形后才发挥作用的被动受力状态有着本质区别。
4) 施工快捷灵活。施工采用机械化作业, 具有工艺灵巧、工期短、施工安全等特点, 用于应急抢险更具有独特优势。
5) 随机补强、应用范围广。既可对有缺陷或存在病害的既有结构物、支挡结构进行加固补强, 又可在新建工程中显示其独特的功能, 具有应用范围广的特点。
2 预应力锚杆 (索) 锚固段设计分析
青岛胶州湾隧道是国内第2条已建成大型海底隧道, 也是目前我国最长的海底隧道。隧道路线等级为城市快速路, 设计基准期为100 a。工程于2006年12月27日正式开工建设, 2010年底实现全线贯通, 2011年6月正式开通运营。隧道北岸接线端敞口段, 路堑高差最大约12 m。因现状基坑开挖两侧建筑拆迁困难, 管线复杂, 难以在预定的时间内迁移, 而工程进度要求该段支挡结构必须按计划完成。经方案比选, 确定采用能控制现状地面变形, 保证尚未拆迁的建筑、管线正常使用不受影响的预应力锚杆 (索) 挡墙。
基于市政工程中预应力永久锚杆挡墙工程经验较少, 本着百年大计、安全第一原则, 在采用JTG D30—2004《公路路基设计规范》 (以下简称《公规》) 计算锚固段长度 (锚固体的承载能力由注浆体与锚孔壁的黏结强度、锚杆与注浆体的黏结强度及锚杆强度等3部分控制, 设计时取小值) 后, 又采用GB 50330—2002《建筑边坡工程技术规范》 (以下简称《建规》) 复核设计结果。结果发现:在设计锚杆轴向力及各参数取值完全相同情况下, 两者的锚杆锚固体与地层的锚固长度结果明显不一致, 且差异较大 (见表1, 表1中岩规为CECS 22:2005《岩土锚杆 (索) 技术规程》) 。
《公规》5.5.4-2:Lr=K·Pd/ (ξ·π·d·frb) , 再配以构造设计 (锚固段长度≥3 m, 且不宜>10 m) 。
《建规》7.2.3:La≥Nak/ (ζ1·π·D·frb) , 同样配以构造设计 (土层锚杆的锚固段长度≥4 m, 且≤10 m, 岩石锚杆的锚固段长度≥3 m, 且≤55D和8 m) 。
上述式中:Lr、La为地层与注浆体间黏结长度, m;K为安全系数, 此处选2.0;Pd、Nak分别为锚杆轴力设计值、标准值, k N;ξ、ζ1为锚固体与地层黏结工作条件系数, 对永久性锚杆 (锚杆服务年限>2 a) 取1.00, 对临时性锚杆 (锚杆服务年限≤2 a) 取1.33;d、D为锚固段钻孔直径, m;frb为地层与注浆体间黏结强度, k Pa。
对比计算公式, 均以锚杆注浆体接触面积、地层与注浆体间黏结强度控制, 原理、参数取值完全相同, 但《公规》荷载取值乘以安全系数K, 对于永久性锚杆取1.6~2.2。在锚杆钢筋面积基本相同, 锚杆的锚固段长度 (含锚固体与地层的锚固长度、锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度) 却直接翻倍。
计算结果不禁让人质疑设计的准确性。另取《岩规》重新复核计算, 计算结果也见表1。
《岩规》7.5.1-1:La>K·Nt/ (π·D·fmg·ψ) , 式中除fmg (锚固体与地层的黏结强度标准值) 取值存在明显差别外, 其他基本相同。
各规范锚杆锚固体与地层的黏结强度对比表见表2。
《建规》中规定frb根据锚杆基本试验, 确定锚固体与岩土层间黏结强度特征值。它规定:试验中取各锚杆极限承载力中最小值作为锚杆的极限承载力标准值, 再将极限黏结强度标准值除以2.2~2.7 (对硬质岩取大值, 对软岩、极软岩和土取小值, 当试验的锚固长度与设计长度相同时取小值, 反之取大值) 为黏结强度特征值。即它已包含至少为2的安全系数。
《岩规》中规定fmg (锚固体与地层的黏结强度标准值) 是取极限承载力标准值, 并没有除以安全系数, 这样《建规》和《岩规》计算结果较统一。
《公规》既采用与《建规》相同的锚固体与岩土层间黏结强度特征值 (包含2的安全系数) , 又采用与《岩规》相同的计算公式, 再乘以安全系数K (永久性锚杆取1.6~2.2) , 导致锚固段计算长度很长。因此, 在相同地质条件下, 相同的锚固段长度 (控制锚固段长度≤10 m) , 按照《公规》计算水平力小、轴向拉力受限的情况下, 锚杆 (索) 立面布置间距较密, 需要锚杆 (索) 数量多, 投资大。
一般设计遵循技术规范分为3个层次, 第一层次为国家标准, 第二层次为行业标准, 第三层次为地方标准。其中以国家标准层次最高, 要求最低, 必须满足;地方标准层次最低, 但要求最高。从表1计算结果看, 作为国标的《建规》计算结果最小, 作为行业标准的《岩规》、《公规》计算结果较大, 其中《公规》计算结果最大。以上都符合技术规范的层次要求。
《建规》适用范围为:30 m以下的岩质及15 m以下的非软土类建筑及市政工程边坡。计算原则及计算方法按GB 50068—2001《建筑结构设计统一标准》的基本原则及概率极限状态法。岩土体与锚固体的黏结强度采用特征值, 由黏结强度标准值折算。《公规》规范适用范围为土质路堑边坡高度≤20 m、岩质路堑边坡高度≤30 m新建、改建公路的路基设计, 包括防护支挡加固设施。总体来说, 《建规》适应的工程对象一般在改造程度较高的市镇、中心区;《公规》适应的工程一般在改造程度较低的野外, 位置分散, 自然条件较差。
3 建议
从设计角度, 不同行业间有各自不同的要求 (工程环境、设计年限、施工水平、动荷载、变形、养护条件等) , 但同一层次规范差别不宜过大。采用任一体系标准计算所得结果差异过大, 可能导致设计的不严谨。目前各行业现行规范在锚固设计方法上存在各自为阵, 混用设计值、标准值、特征值等, 术语定义不准确情况, 极易造成设计人员的误解, 其结果要么造成浪费, 要么影响工程的安全性。不同行业规范计算的内锚固长度差异较大, 反映出不同行业对岩土锚固安全度认识上的差异, 建议有关部门在以后修订规范时, 能考虑上述问题, 尽量缩小差异, 以便使规范更好地服务设计[1]。
计算锚固体长度公式中重要力学参数是黏结强度, 各类文献提供的表格中仅仅是岩石名称和黏结强度的对应, 对于黏结强度的试验方法、注浆体强度、岩体强度和结构等都不得而知。现场试验法比较符合工程的实际情况[2]。因此, 在岩土锚杆 (索) 设计中, 进行基本试验 (破坏性试验, 要求锚固体与地层间首先破坏, 确定锚固体与岩土层黏结强度特征值或极限承载力标准值、锚杆设计参数和施工工艺) 意义重大, 对重要工程应进行基本试验, 取得可靠参数, 保证工程安全。
目前, GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》 (2014-06-01实施) 已对原规范进行修订:将锚杆有关计算由原规范的概率极限状态法转换为安全系数法, 与国家现行岩土工程类标准基本保持一致, 将地层与锚固体间黏结强度特征值由黏结强度极限标准值替代, 并对不同安全等级对应的安全系数进行规定。
4 结语
经过规范间的对比分析, 找出差异原因, 确保预应力锚杆 (索) 挡墙工程结构的安全。设计中预应力锚杆 (索) 避开现状和规划管线, 将锚杆长度控制在用地红线内, 结合规划对周边项目开发提出保护内锚头锚固体的措施和要求, 为以后城市中的类似工程积累经验。该工程已建成运营数年, 运行情况良好。
摘要:介绍城市中采用预应力锚固技术进行支挡设计的方法, 阐述该技术的优势和在城市环境中的受限条件。以青岛胶州湾海底隧道连接线洞口接地段实际工程为例, 发现采用不同现行规范得出的锚杆 (索) 锚固体与地层的锚固长度计算结果有较大差异, 分析、比较其原因, 着重从设计、试验角度, 区分锚固体与岩土层间黏结强度特征值与极限承载力标准值, 提出合理控制安全系数、锚固体长度, 加强基本试验的建议。
关键词:锚杆,预应力锚固技术,市政工程,黏结强度特征值,极限承载力标准值
参考文献
[1]邹德兵, 刘麟.内锚固段长度计算公式比较研究[J].人民长江, 2012, 43 (5) :32-35.
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